BR112015032846B1

BR112015032846B1 - torre de condensação de vapor de água para uma instalação de granulação

Info

Publication number: BR112015032846B1
Application number: BR112015032846-6A
Authority: BR
Inventors: Horst Kappes; Marc Schweitzer; Tommy MATHIEU
Original assignee: Paul Wurth S.A
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2020-12-08
Also published as: UA116024C2; CA2916647A1; LU92235B1; KR102211758B1; WO2015000808A1; EA029741B1; EP3017071A1; JP6464160B2; BR112015032846A2; CN105378117B; EA201600080A1; KR20160025618A; EP3017071B1; ZA201509311B; CN105378117A; CA2916647C; TW201512409A; TWI616536B; JP2016530472A; US20160169583A1

Abstract

TORRE DE CONDENSAÇÃO DE VAPOR DE ÁGUA PARA UMA INSTALAÇÃO DE GRANULAÇÃO. A presente invenção se refere a uma instalação de granulação (10) para granulação de material fundido produzido em uma usina metalúrgica. A unidade compreende, dentre outros, uma torre de condensação de vapor de água (30) com um sistema de condensação de vapor de água e um dispositivo de evacuação (60) para evacuação seletiva de gás e vapor de água da dita torre, condensação do excesso de vapor de água e evacuação de gás para a atmosfera, o dito dispositivo de evacuação (60) tendo uma entrada (62) localizada para comunicar com a dita zona superior (44) da dita torre de condensação (30) acima do dispositivo de pulverização de água (40) e uma saída localizada de modo a evacuar e condensar o vapor de água e evacuar gás da dita torre de condensação (30).

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção se refere, de modo geral, a uma instalação de granulação para material fundido, especialmente para fundidos metalúrgicos, tal como a escória de um alto-forno. Ela se refere, mais particularmente, a uma configuração de torre de condensação de vapor de água aprimorada para uso em tal unidade.

Fundamento Técnico

[002] Um exemplo de uma instalação de granulação moderna deste tipo, especialmente para fundição de escória de alto-forno, é ilustrado na Figura 2 anexa que é parte de um artigo intitulado "INBA® Slag Granulation System - Environmental Process Control", publicado em Iron&Steel Technology, edição de Abril de 2005. Conforme visto na Figura 2, este tipo de unidade compreende, tipicamente: um dispositivo de injeção de água [2] (também denominado caixa de sopro) para a injeção de água de granulação em um fluxo de material fundido, por exemplo, escória que é recebida através de uma calha de escoamento [1]. Deste modo, granulação do material fundido é alcançada. A unidade tem ainda um tanque de granulação [3] para coleta da água de granulação e do material granulado e para resfriamento dos grânulos em um grande volume de água por baixo do dispositivo de injeção de água [2]. Uma torre de condensação de vapor de água tendo, tipicamente, um invólucro cilíndrico fechado por uma cobertura superior, está localizada acima do tanque de granulação para coleta e condensação do vapor de água gerado no tanque de granulação. Na verdade, em virtude das altas temperaturas do material fundido e da grande quantidade de água de têmpera necessário, uma quantidade considerável de vapor de água é, tipicamente, produzida pelas instalações de acordo com a Figura 2. Para evitar a poluição proveniente da simples emissão de vapor de água para a atmosfera, a torre de condensação de vapor de água inclui um sistema de condensação de vapor de água, tipicamente do tipo de contracorrente. O sistema de condensação de vapor de água tem um dispositivo de pulverização de água [5] para pulverização de gotículas de água em vapor de água que sobe dentro da torre de condensação de vapor de água e um dispositivo de coleta de água [6] localizado abaixo do dispositivo de injeção de água [5] para coleta das gotículas de condensação pulverizadas e vapor de água condensado.

[003] A produção de material fundido em processos metalúrgicos é, tipicamente, cíclica e está sujeita a flutuações consideráveis em termos das taxas de fluxo produzidas. Por exemplo, durante uma operação de vazamento de um alto-forno, a taxa de fluxo de escória está longe de ser constante. Ela mostra valores de pico que podem ser mais do que quatro vezes a taxa média de fluxo de escória ao longo da duração da operação de vazamento. Tais picos ocorrem, ocasional ou regularmente, durante tempos curtos, por exemplo, alguns minutos. O resultado é que, em uma instalação de granulação típica do estado da técnica com base em água, há flutuações importantes na taxa de fluxo de calor que entra em virtude da escória que entra, consequentemente, flutuações equivalentes na quantidade de vapor de água gerado ao longo do tempo. De modo a encontrar um meio-termo adequado entre o tamanho da unidade e os custos, a capacidade de condensação de vapor de água, muitas vezes, não é concebida para lidar com o fluxo de vapor de água completo, o qual poderia ser gerado durante fluxos de escória de pico. Abas de alívio de pressão excessiva são previstas (conforme observado na cobertura superior mostrada na Figura 2) para abrir em tais casos, de modo a evacuar o excesso de vapor de água para a atmosfera.

[004] No entanto, a observação tem mostrado que, na prática, tais abas de pressão excessiva nem sempre abrem de forma confiável em taxas excessivas de fluxo de fundido. Supõe-se que o vapor de água seja parcialmente impedido de sair através das abas de pressão excessiva em virtude, dentre outros, da "barreira" formada pela "cortina" de água constantemente produzida pelo dispositivo de injeção de água [2]. Possivelmente, em altas taxas de vapor de água, há também resistência ao fluxo de vapor de água formado pelo dispositivo de coleta de água [6]. Consequentemente, vapor de água em excesso permanece dentro da torre e pressão excessiva é subsequentemente gerada. Isto pode levar a refluxo parcial de vapor de água na entrada inferior da torre de condensação, na entrada do tanque de granulação [3]. Um exaustor interno é especialmente previsto para separar o interior do exterior e, assim, evitar que o ar indesejado entre na torre e evitar também que o vapor de água seja soprado para fora da torre.

[005] Tal fluxo de vapor de água reverso pode levar, no mínimo, a uma má visibilidade na fundição, o que é obviamente um risco de segurança grave para o pessoal de operação. Muito mais adversamente, o vapor de água que é soprado de volta através do exaustor interno pode levar à geração considerável de partículas de escória de baixa densidade (as assim denominadas "pipocas") quando o vapor de água entra em contato com o fundido líquido quente dentro do bico injetor de escória. Tais partículas quentes, quando projetadas na fundição, geram um risco ainda mais grave para a segurança.

[006] O documento WO2012/079797 A1 aborda este problema também e propõe evacuar seletivamente o excesso de vapor de água através de uma chaminé para a atmosfera. Esta chaminé tem uma entrada que se comunica com a zona inferior da torre de condensação e uma saída posicionada para evacuar o vapor de água para a atmosfera acima da torre de condensação. Além disso, a chaminé é dotada de um dispositivo obturador para evacuação seletiva de vapor de água através da chaminé.

[007] O documento EP 0 573 769 A1 descreve um processo no qual uma mistura de vapor de água e ar poluído é primeiro canalizada em um fluxo ascendente (19) para uma torre de condensação e onde, então, a mistura flui em um fluxo descendente para um compartimento mantido sob vácuo parcial. Uma solução aquosa alcalina é pulverizada em um fluxo paralelo no dito fluxo descendente e os gases não condensados descontaminados são descarregados do compartimento através de uma corrente forçada e ajustável, o que cria e mantém um vácuo parcial dentro do dito compartimento. Um dispositivo para aimplementação do dito processo também é descrito.

Problema Técnico

[008] Consequentemente, é um primeiro objetivo da presente invenção fornecer uma torre de condensação de vapor de água a qual permite evacuação mais confiável do excesso de vapor de água durante granulação em taxas de fluxo de pico, ao mesmo tempo em que é compatível com configurações de instalações de granulação existentes em um custo adicional comparativamente baixo. Este objetivo é conseguido por uma unidade e uma torre de condensação de vapor de água conforme reivindicado na reivindicação 1.

[009] É outro objetivo da invenção fornecer uma torre de condensação que permita uma redução nos custos de instalação e operação do equipamento.

Descrição Geral da Invenção

[010] A presente invenção se refere, de modo geral, a uma instalação de granulação e a uma torre de condensação, conforme apresentado nas partes de pré-caracterização da reivindicação 1.

[011] De modo a superar o problema supracitado, a presente invenção propõe um dispositivo de evacuação para evacuação seletiva e condensação do excesso de vapor de água da torre de condensação. O dispositivo de evacuação de acordo com a invenção tem uma entrada posicionada para se comunicar com a zona superior da torre de condensação acima do dispositivo de pulverização de água e uma saída posicionada para liberar o vapor de água totalmente condensado. Em contraste com o dispositivo do documento WO2012/079797 A1, este dispositivo de evacuação não apenas evacua o excesso de vapor de água e vapores provenientes da torre de condensação, mas também condensa o vapor de água evacuado e vaporiza, de modo que o impacto sobre o ambiente é muito reduzido. Na verdade, estes vapores podem conter componentes de enxofre, tal como H2S e assim por diante, os quais serão dissolvidos em água na presente invenção.

[012] Descobriu-se que, durante a granulação de escória, hidrogênio gasoso pode ser formado sob algumas circunstâncias. Na verdade, a escória líquida quente pode conter ferro e, em contato com o ferro quente contido na escória, as moléculas de água podem ser divididas em hidrogênio e oxigênio. Este hidrogênio gasoso é extremamente explosivo e, uma vez que a torre de condensação é basicamente estanque ao ar, o hidrogênio gasoso, o qual é muito mais leve do que o ar, pode se acumular na zona superior da torre de condensação. Sob circunstâncias específicas, esta mistura pode inflamar e uma explosão ou um incêndio pode ser a consequência. Cálculos mostraram que, durante uma operação de granulação, a produção de hidrogênio pode variar entre cerca de 0,5 m3 de H2/min e 8 m3 de H2/min, dependendo do teor de ferro da escória e do diâmetro dos grânulos produzidos.

[013] A unidade conforme descrita no documento WO2012/079797 A1 pode, em alguns casos, não ser adequada para eliminar este risco de incêndio ou explosão, uma vez que a entrada da chaminé está situada na zona inferior da torre de condensação e o hidrogênio gasoso, sendo mais leve do que o ar, inevitavelmente se acumulará na zona superior da torre de condensação e, assim, não será evacuado pelo dispositivo, conforme descrito no documento WO2012/079797A1.

[014] O mesmo é verdadeiro para o dispositivo descrito no documento EP 0 573 769 A1, uma vez que os gases não condensados são evacuados a partir de uma zona inferior da torre de condensação. O hidrogênio gasoso, sendo extremamente leve, se acumulará na parte superior da torre de condensação e, portanto, não é evacuado de forma eficaz, uma vez que o dispositivo de evacuação está situado muito baixo na torre de condensação, abaixo do dispositivo de pulverização de água. Além disso, a presente torre de condensação não requer que um invólucro, o qual é mantido sob vácuo parcial, seja construído dentro da torre de condensação, no qual os gases passam em fluxo descendente, ao mesmo tempo em que eles são condensados por um dispositivo de pulverização de água. A presente torre de condensação é, portanto, menos dispendiosa e mais confiável.

[015] O presente dispositivo não prejudica o desempenho da torre quando o dispositivo de evacuação não está em uso. Na verdade, contrário ao dispositivo descrito no documento EP 0 573 769 A1, a torre e sua capacidade de resfriamento/condensação não são prejudicadas por um dispositivo grande instalado dentro da torre o que, inevitavelmente, reduz a superfície/volume onde o dispositivo de pulverização de água e o dispositivo de coleta de água operam. Com o dispositivo de evacuação descrito acima, o volume útil da torre não é afetado, uma vez que o dispositivo de evacuação é instalado fora do invólucro da torre. Mesmo que o dispositivo seja instalado dentro da torre, uma vez que ele é instalado acima do dispositivo/injetores de pulverização de água, ele não afeta o desempenho de condensação do dispositivo de pulverização de água.

[016] O dispositivo de evacuação, portanto, é especialmente útil em modernização de torres de condensação e, assim, útil para aumentar facilmente a capacidade de granulação de uma instalação de granulação de escória existente.

[017] De modo a permitir evacuação seletiva conforme desejado ou necessário, o dispositivo de evacuação é, de preferência, dotado de qualquer dispositivo adequado para controle da taxa de fluxo de vapor e/ou gás através do dispositivo de evacuação.

[018] De preferência, o dispositivo de evacuação compreende uma bomba de vácuo e, em particular, uma bomba de jato com edutor que produz vácuo por meio do efeito Venturi. Tal bomba de jato com edutor é um tipo de bomba que usa o efeito Venturi de um injetor convergente-divergente para converter a energia de pressão de um fluido motriz em energia de velocidade, a qual cria uma zona de baixa pressão que extrai e retém um fluido de sucção. Após passar através da garganta do injetor, o fluido misturado expande e a velocidade é reduzida, o que resulta em nova compressão dos fluidos misturados através ao converter a energia de velocidade novamente em energia de pressão. Neste caso particular, o fluido motriz é a água e o fluido de sucção retido é vapor de água e/ou uma mistura de vapor de água e hidrogênio gasoso. Durante a operação da bomba, o vapor de água evacuado é condensado e misturado com a água que aciona a bomba. Quaisquer compostos sulfurosos contidos no vapor de água serão dissolvidos e neutralizados na água também. Cálculos mostraram que cerca de 385 l de água são necessários para dissolver o H2S contido em um 1 t de vapor de água e cerca de 142 l são necessários para dissolver o SO2 total contido em 1 t de vapor de água.

[019] O dispositivo de evacuação proposto tem o mérito incontestável de evacuar com segurança qualquer excesso indesejado e potencialmente prejudicial de vapor de água e hidrogênio da instalação de granulação e, deste modo, aumentar consideravelmente a segurança da operação. Além disso, o dispositivo de evacuação proposto permite condensar o vapor de água evacuado e dissolver e neutralizar os compostos que contêm enxofre em água, assim, reduzindo o efeito ambiental da instalação.

[020] Uma outra vantagem do dispositivo descrito acima é que a unidade pode ser concebida com um sistema de condensação de menor escala. Na verdade, uma unidade dotada do dispositivo de evacuação proposto é capaz de lidar com um fluxo total de vapor de água que corresponde a uma maior taxa de fluxo de escória, o fluxo de vapor de água sendo composto de um fluxo de vapor de água parcial, tipicamente de maior proporção, o qual é condensado da maneira habitual, e outro fluxo de vapor de água parcial, tipicamente de menor proporção, que é evacuado da torre de condensação através do dispositivo de evacuação proposto durante um tempo limitado. Consequentemente, em vez de adotar a prática comum de conceber toda a unidade para a taxa de fluxo de fundido e volume de vapor de água máximos esperados, ela pode ser concebida para lidar com uma menor taxa de fluxo nominal que ocorre a maior parte do tempo durante operação. Economias consideráveis de capital e despesas operacionais são, assim, possíveis. Conforme será ainda apreciado, a configuração do dispositivo de evacuação evita pressão excessiva dentro da torre de condensação e evita, de forma segura, que o vapor de água seja soprado de volta para a fundição em taxas de fluxo maiores do que a nominal. Em virtude de evacuação seletiva apenas, a unidade opera de maneira convencional em taxas de fluxo nominal e menores do que a nominal, sem que o vapor de água seja propositadamente evacuado da torre de condensação. Além disso, o investimento (despesas de capital) para fornecer o dispositivo de evacuação proposto é muito baixo comparado com o aumento da capacidade do sistema de condensação até uma margem de segurança comparável.

[021] Modalidades preferidas da unidade são definidas nas reivindicações dependentes 2 a 15. Conforme será entendido, embora não esteja limitada ao mesmo, a unidade proposta é especialmente adequada para uma usina de alto- forno.

Breve Descrição dos Desenhos

[022] Outros detalhes e vantagens da presente invenção serão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir de várias modalidades não limitativas com referência aos desenhos anexos, em que:

[023] a Figura 1 é um diagrama de blocos esquemático de uma modalidade de uma instalação de granulação dotada de uma torre de condensação de vapor de água de acordo com a invenção;

[024] a Figura 2 ilustra uma instalação de granulação conhecida de acordo com o estado da técnica.

[025] Sinais de referência idênticos são usados ao longo dos desenhos para identificar elementos estrutural ou funcionalmente similares.

Descrição de Modalidades Preferidas

[026] Para ilustração de uma modalidade da presente invenção, a Figura1 mostra uma vista esquemática de uma instalação de granulação 10 concebida para granulação da escória em uma usina de alto-forno (a instalação não sendo mostrada). Em geral, a unidade 10 serve, assim, para granular um fluxo de escória de alto-forno fundida 14 por meio de têmpera da mesma com um ou mais jatos 12 de água de granulação comparativamente fria. Conforme pode ser visto na Figura 1, um fluxo de escória fundida 14, inevitavelmente vazado com o ferro- gusa proveniente de um alto-forno, cai de um canal de escoamento de fundido quente 16 em um tanque de granulação 18. Durante operação, jatos de água de granulação 12, os quais são produzidos por um dispositivo de injeção de água 20 (muitas vezes também denominado uma "caixa de sopro") suprido por uma ou mais bombas de alta pressão paralela (não mostradas), colidem sobre a escória fundida 14 que cai da calha de escoamento quente 16. Uma configuração adequada de um dispositivo de injeção de água 20 é, por exemplo, descrito no Pedido de Patente WO 2004/048617. Em unidades de granulação mais antigas (não mostradas, mas abrangidas), a escória fundida cai de uma calha quente sobre uma calha fria, com jatos de água de granulação de um dispositivo de injeção de água similar que retém o fluxo sobre a calha fria em direção a um tanque de granulação. Independentemente da configuração, granulação é obtida quando os jatos de água de granulação 12 colidem sobre o fluxo de escória fundida 14.

[027] Em virtude de têmpera, a escória fundida 14 se divide em "grânulos"com tamanho de grão, os quais caem em um grande volume de água mantido no tanque de granulação 18. Estes "grânulos"de escória solidificam totalmente em areia de escória através de troca de calor com água. Pode ser notado que os jatos de água de granulação 12 são dirigidos para a superfície da água no tanque de granulação 18, deste modo, promovendo a turbulência que acelera o resfriamento da escória.

[028] Conforme é bem conhecido, a têmpera de um fundido inicialmente quente (> 1000 ° C), tal como escória de fundição, resulta em quantidades importantes de vapor (isto é, vapor de água). Este vapor de água usualmente está contaminado, dentre outros, com compostos de enxofre gasosos. De modo a reduzir a poluição atmosférica, o vapor de água liberado no tanque de granulação 18 é encaminhado para uma torre de condensação de vapor de água 30 que está, tipicamente, localizada verticalmente acima do tanque de granulação 18. Esta torre de condensação de vapor de água 30 (daqui em diante abreviada "torre 30") é dotada de um sistema de condensação de vapor de água, usualmente do tipo contracorrente, que inclui um dispositivo de pulverização de água 40 e um dispositivo de coleta de água 42. Conforme visto na Figura 1, a torre 30 é uma edifício comparativamente grande que tem um invólucro externo 32 . O invólucro 32 o qual é, tipicamente, mas não necessariamente, uma construção de chapa de aço soldada cilíndrica, é dotado de uma cobertura superior 34. A torre 30 tem uma determinada altura e diâmetro dimensionado para um volume nominal de vapor de água emitido.

[029] O dispositivo de pulverização de água 40 usualmente está localizado próximo da cobertura superior 34 da torre 30 para efeito máximo. Ele inclui uma pluralidade de bicos de pulverização de água-47, 49 para pulverização de gotículas de água em vapor de água e vapores que sobem dentro da torre 30. O dispositivo de pulverização de água 40 serve para condensação do vapor de água e, adicionalmente, melhora a dissolução de gases perigosos, tais como gases que contêm enxofre.

[030] O dispositivo de coleta de água 42 está localizado dentro da torre 30 em uma distância vertical de vários metros abaixo do dispositivo de pulverização de água 40. O dispositivo de coleta de água 42 pode ser considerado como dividindo a torre 30 em uma zona superior virtual 44, na qual o vapor de água condensa durante operação, e uma zona inferior virtual 46. Durante operação, o vapor de água sobe do tanque de granulação 18, através da zona inferior 46 e o dispositivo de coleta de água 42, para a zona superior 44. Tipicamente, a zona superior 44 ocupa uma proporção de altura significativamente maior do que a zona inferior 46. Na Figura 1, a altura total da torre 30 não é mostrada, isto é, a distância vertical entre o dispositivo de pulverização de água 40 e o dispositivo de coleta de água 42 é, tipicamente, maior do que ilustrado na Figura 1.

[031] O dispositivo de coleta de água 42 é configurado para coletar as gotículas que caem resultantes das gotículas pulverizadas e vapor de água condensado. O dispositivo de coleta de água 42, deste modo, evita que a água caia de volta no tanque de granulação 18 e permite recuperação da água de processo relativamente limpa por meio de um duto de drenagem 48. Para esta finalidade, o dispositivo de coleta de água 42 pode incluir pelo menos um coletor superior em formato de funil ou em formato de copo e um coletor inferior em formato de funil. Neste caso, várias aberturas circunferencialmente distribuídas entre os coletores permitem que o vapor de água e vapores subam da zona inferior 46 para a zona superior 44 da torre 30. Para minimizar a resistência ao fluxo oferecida ao vapor de água, as aberturas distribuídas entre os coletores têm, de preferência, uma altura de pelo menos 500 mm. Outras configurações de um dispositivo de coleta de água 42 são possíveis e estão abrangidas.

[032] Conforme pode ser visto na Figura 1, na parte inferior do tanque de granulação 18, a areia de escória solidificada misturada com a água de granulação é evacuada. A mistura (pasta) é alimentada para uma unidade de desidratação 50. A finalidade desta unidade de desidratação 50 é separar o material granulado (isto é, areia de escória) da água, isto é, permitir a recuperação separada de areia de escória e água de processo. Uma configuração geral adequada de uma unidade de desidratação 50 é bem conhecida a partir de instalações INBA® existentes ou descritas, por exemplo, na Patente dos Estados Unidos No 4.204.855 e, assim, não adicionalmente detalhada aqui. Tal unidade de desidratação compreende um tambor de filtragem rotativo 52, por exemplo, conforme descrito em maiores detalhes na Patente dos Estados Unidos No 5.248.420. Qualquer outro dispositivo estático ou dinâmico para a desidratação de grânulos fundidos solidificados finos também pode ser usado. Conforme adicionalmente mostrado na Figura 1, um tanque de recuperação de água de granulação 54 (muitas vezes denominado um "tanque de água quente") está associado à unidade de desidratação 50 para coleta da água que é separada da areia de escória granulada. Na maioria dos casos, este tanque de recuperação de água 54 é concebido como um tanque de decantação com um compartimento de decantação e um compartimento de água limpa (não mostrado), no qual a água grandemente sem areia ("limpa") transborda.

[033] Conforme também se depreende a partir da Figura 1, o duto de drenagem 48 do dispositivo de coleta de água 42 pode estar conectado à água condensada e vaporizada alimentada da torre 30 diretamente para um sistema de resfriamento 56 que tem uma ou mais torres de resfriamento.Alternativamente, ela pode ser bombeada para o tanque de recuperação de água 54 ou ser usada para outras finalidades, por exemplo, para alimentar o dispositivo (s) de injeção 20 ou simplesmente ser descartada. No caso onde a água proveniente do dispositivo de coleta 42 é alimentada para o compartimento de água limpa do tanque de recuperação de água 54, ela é bombeada deste compartimento o qual é, em grande parte, água sem sólidos, para o sistema de resfriamento 56.

[034] A água de processo resfriada proveniente do sistema de resfriamento 56 é alimentada de volta para a instalação de granulação 10 para reutilização no processo. Mais especificamente, a água fria é, de preferência, alimentada, por um lado, para o dispositivo de injeção de água 20 através do duto de alimentação 23 e, por outro lado, para o dispositivo de pulverização de água 40 através de outro duto de alimentação 58. O duto de alimentação 23 é dotado da(s) bomba(s) supracitada(s). O duto de alimentação 58, por sua vez, é dotado de pelo menos uma bomba (não mostrada) ou, de preferência, duas bombas paralelas, que pertencem ao dispositivo de pulverização de água 40. Consequentemente, os bicos de pulverização de água 47, 49 do dispositivo de pulverização de água 40 são supridos com água fria recirculada do sistema de refrigeração 56 através do duto de alimentação 58. Embora tal configuração de "circuito fechado" para a água de processo seja preferida, alternativas de circuito aberto também estão abrangidas, com a água alimentada aos bicos de pulverização de água 47, 49 e/ou ao(s) dispositivo(s) de injeção sendo descartada após uso.

[035] De acordo com um aspecto a ser apreciado, a torre 30 de acordo com a invenção é dotada de um dispositivo de evacuação 60 para evacuação do excesso de vapor de água e gás da torre 30. O dispositivo de evacuação 60, conforme ilustrado esquematicamente na Figura1, é uma bomba de vácuo que está operativamente associada à torre 30. Mais especificamente, o dispositivo de evacuação 60 ilustrado na Figura 1 tem uma entrada 62 localizada de modo a se comunicar com a zona superior 44 da torre 30, de modo que o vácuo criado pelo dispositivo de evacuação 60 evacue quaisquer gases e/ou vapor de águacontido na zona superior 44 da torre 30.

[036] Tal dispositivo de evacuação 60 compreende, de preferência, uma bomba de vácuo, também denominada de bomba de jato com edutor, a qual usa a energia cinética de um líquido para causar fluxo de outro e opera sob os princípios básicos de dinâmica de fluxo. Bombas de jato com edutor compreendem um injetor convergente, um corpo e um difusor e se assemelham a sifões quanto à aparência. Em operação, a energia de pressão do líquido motriz é convertida em energia de velocidade pelo injetor convergente. O fluxo de líquido em alta velocidade, então, arrasta o fluido de sucção. Mistura completa do líquido motriz e fluido de sucção é realizada na seção de corpo e difusor. A mistura de líquido/fluido é, então, convertida novamente para uma pressão intermediária após passar através do difusor.

[037] A entrada 62 do dispositivo de evacuação 60 está, de preferência, situada entre o dispositivo de pulverização de água 40 e a cobertura superior 34 da torre 30.

[038] Embora, na Figura 1, seja representado apenas um dispositivo de evacuação 60, deverá ser entendido que uma pluralidade de tais dispositivos de evacuação podem ser instalados na torre 30. Tal pluralidade de dispositivos de evacuação 60 pode, por exemplo, ser instalada em anel em torno da parte superior da torre 30, isto é, no mesmo plano horizontal.

[039] Além disso, uma pluralidade de dispositivos de evacuação 60 podem ser instalados em um plano vertical, isto é, um por cima do outro, ou em fileiras um sobre o outro em torno da zona superior 44 da torre 30. Em tal caso, a entrada 62 de algum do dispositivo de evacuação 60 pode estar situada entre o dispositivo de pulverização de água 40 e o dispositivo de coleta de água 42 da torre 30.

[040] Deverá ser notado que a entrada do ejetor está na zona superior da torre de condensação, o ejetor em si podendo mesmo estar colocado ao nível do solo, o que tem a vantagem de que menos pressão de água é requerida para operá-lo.

[041] Com uma configuração conforme mostrado na Figura 1, o dispositivo de evacuação 60 pode ser facilmente suportado pela estrutura do invólucro externo 32 e/ou, se desejável, parcial ou totalmente suspenso à estrutura da cobertura superior 34.

[042] Na modalidade mostrada na Figura 1, o dispositivo de evacuação está situado fora da torre, mas é evidente que tal(is) dispositivo(s) de evacuação 60 também pode(m) ser instalado(s) dentro da torre.

[043] O dispositivo de evacuação 60 está conectado ao duto de alimentação 58 do dispositivo de pulverização de água 40 da torre 30 e uma parte da água neste duto de alimentação 58 é usada para acionar o dispositivo de evacuação 60 e criar um vácuo para evacuar o vapor de água e gases contidos na zona superior 44 da torre 30 e condensar o vapor de água e a mistura de vapor de água condensado e gás com a água usada para acionar o dispositivo de evacuação 60. Para um sistema pequeno, cerca de 10-20 m3/h de água podem ser necessários em uma pressão de cerca de 4 bar. Para um sistema maior, até cerca de 300 m3/h a cerca de 4 bar podem ser necessários.

[044] Especificamente, conforme se tornará mais evidente abaixo, o dispositivo de evacuação 60 permite evacuação e condensação de quantidades de vapor de água acima da capacidade de condensação da torre 30, bem como a evacuação de quaisquer gases indesejáveis, tal como hidrogênio, da torre 30 porque ele está situado acima do dispositivo de pulverização de água 40, isto é, entre a cobertura superior 34 e acima do dispositivo de pulverização de água 40. Uma vez que o dispositivo de evacuação 60 não requer qualquer eletricidade nem contém quaisquer partes móveis, o risco de criar faíscas ou superfícies quentes está ausente e o risco de incêndio ou explosão é, assim, eliminado.

[045] Além disso, uma vez que o dispositivo de evacuação 60 não requer qualquer energia elétrica, a instalação de tal dispositivo para a torre 30 é facilmente obtida em baixo custo.

[046] Conforme será entendido, o dimensionamento apropriado, respectivamente, o número de dispositivo(s) de evacuação 60, determina a quantidade de vapor de água e gás que podem ser evacuados com segurança através do dispositivo de evacuação 60 (sem pressão excessiva na zona superior 44 da torre 30 e o risco relacionado de refluxo de vapor de água). No caso de uma instalação 10 concebida para escória de alto-forno, um dispositivo de evacuação 60 correspondente obtém facilmente um fluxo capaz de evacuação e compensação do vapor de água gerado pela escória extra na ordem de 3-4 t/min (taxa de fluxo em excesso). Em virtude do dispositivo de evacuação 60, a instalação 10 pode, assim, operar com segurança em taxas de fluxo de escória maiores do que a capacidade máxima de condensação da torre 30. Por exemplo, ela pode operar em taxas de fluxo de escória de pico de 11-12 t/min com uma torre 30 concebida para condensação de vapor de água gerado por taxas de fluxo de fundido de apenas 8 t/min. Conforme será apreciado, um dispositivo de evacuação 60 de acordo com a invenção, deste modo, permite aumentos na capacidade de processamento de até 50%, ao mesmo tempo em que aumenta a segurança da operação. A produção de vapor de água para 1-2 t/min, no entanto, lidaria com três ejetores de tamanho médio, consumindo cerca de 500 - 600 m3/h de água.

[047] A taxa de fluxo de gás/vapor de água evacuado da torre 30 por meio do dispositivo de evacuação 60 depende diretamente da taxa de fluxo e da pressão da água usada para acionar o dispositivo de evacuação 60. Um dispositivo de controle, tal como uma válvula (não mostrada), que regula o fluxo e/ou a pressão da água usada para acionar o dispositivo de evacuação 60 pode, assim, ser usado para regular a taxa de fluxo de gás/vapor de água evacuado da torre 30.

[048] A água proveniente do duto 58 que é usada para acionar o dispositivo de evacuação 60 é misturada dentro do dispositivo de evacuação 60 com o vapor de água evacuado da torre 30. O vapor de água condensa e quaisquer gases evacuados serão, pelo menos parcialmente, dissolvidos na água e evacuados para o sistema de resfriamento através do duto de evacuação 59. Outras partes da instalação poderiam ser usadas para a liberação de água/H2. Neste caso particular, conforme representado na Figura 1, o duto de evacuação 59 leva a água do dispositivo de evacuação 60 para a parte inferior do sistema de resfriamento 56. Em outras modalidades, o duto 59 pode também estar conectado ao duto de drenagem 48 e ser transportado para o sistema de resfriamento 56 junto com a água proveniente do dispositivo de resfriamento de água 42. Isto permite evacuar qualquer hidrogênio gasoso da torre 30 para um local, o qual está situado a uma grande distância da instalação de granulação, de modo que o perigo de incêndio e explosão na instalação de granulação seja eliminado.

[049] De modo a assegurar condensação eficiente e poluição mínima em taxas de fluxo normais abaixo dos valores de pico, o dispositivo de evacuação 60 da Figura 1 é dotado do dispositivo de controle supracitado. Este dispositivo de controle serve para "desligar" o dispositivo de evacuação 60, isto é, para fechar ou pelo menos restringir significativamente a taxa de fluxo da água usada para acionar o dispositivo de evacuação 60 sempre que a instalação de granulação 10 opera em ou abaixo de taxas de fluxo nominais, especialmente com vapor de água gerado em ou abaixo da capacidade de condensação da torre 30. Em outras palavras, o dispositivo de controle 70 é usado para evacuar o vapor de água através do dispositivo de evacuação 60 seletivamente, apenas quando necessário ou desejado, em função da quantidade de vapor de água realmente gerado e/ou em função do teor/concentração de hidrogênio na zona superior da torre 30.

[050] Em um sistema convencional, conforme ilustrado na Figura 2, sempre que as taxas de fluxo de fundido excedem a capacidade da torre 30, a experiência mostrou um risco grave de refluxo (fluxo inverso) de vapor de água, por exemplo, na calha de escoamento quente e mesmo na fundição (não mostrado) a montante da calha de escoamento 16. Mesmo com abas de pressão excessiva na cobertura superior 34 e com uma chaminé interna 80, conforme ilustrado na Figura1, que permitem obter uma certa resistência contra o refluxo, refluxo ainda pode ocorrer. De uma maneira conhecida, a chaminé interna 80 (mostrada na Figura 2) é fornecida principalmente para vedação da torre 30 contra a entrada de "falso" ar ambiente.

[051] Contrário a tal configuração convencional, o dispositivo de evacuação 60 proposto fornece uma solução confiável para evacuação e compensação com segurança do excesso de vapor de água sempre que as taxas de fluxo excedem a capacidade nominal da torre 30. Conforme será entendido, tais taxas de fluxo em excesso podem ocorrer acidentalmente, por exemplo, no caso de picos de escória fundida em virtude de problema no furo de vazamento do alto-forno. Conforme será apreciado, em virtude da presente invenção, configurações com menor capacidade da instalação em termos de condensação de vapor podem ser consideradas. Na verdade, com uma capacidade nominal concebida para ser menos do que os picos de taxa de fluxo de curto prazo esperados, isto é, contrário à prática de configuração aceita (com capacidade nominal que corresponde ao fluxo de pico esperado), uma torre de 30 dotada de um dispositivo de evacuação 60 ainda pode operar de forma confiável.

[052] Ao contrário do dispositivo descrito no documento WO2012/079797 A1, o presente dispositivo não prejudica o desempenho da torre 30 quando o dispositivo de evacuação 60 não está em uso. Na verdade, ao contrário do dispositivo descrito no documento WO2012/079797 A1, a torre 30 e sua capacidade de resfriamento/condensação não é prejudicada por um grande dispositivo instalado dentro da torre 30, o qual inevitavelmente reduz a superfície/volume onde a água do dispositivo de pulverização 40 e do dispositivo de coleta de água 42 operam. Com o dispositivo de evacuação 60 descrito acima, o volume útil da torre 30 não é afetado, uma vez que o dispositivo de evacuação 60 é instalado fora do invólucro da torre. Mesmo que o dispositivo seja instalado dentro da torre 30, ele pode ser instalado acima do dispositivo/bicos de pulverização de água e, assim, não afeta o desempenho da água de condensação do dispositivo de pulverização 40. O dispositivo de evacuação 60 é, portanto, especialmente útil em modernização de torres de condensação e, portanto, útil para aumentar facilmente a capacidade degranulação de uma instalação de granulação de escória existente.

[053] Dispositivos de evacuação similares podem ser usados para servir a finalidades de evacuação adicionais. Em particular, a unidade de desidratação de água 50 tem uma chaminé de coleta de vapor de água 53 acima do tambor de desidratação 52. Um ou mais dispositivos de evacuação (não mostrados) podem ser instalados de modo a aspirar o vapor de água e gás da unidade de desidratação 50 e/ou da chaminé de coleta de vapor de água 53. Esta configuração tem a vantagem de evacuar adequadamente o vapor de água e gás da unidade de desidratação 50 e condensar o vapor de água e, assim, reduzir os problemas de visibilidade nas adjacências da unidade de desidratação 50 e da instalação 10 em geral.

[054] Similarmente, um outro dispositivo de evacuação (não mostrado) pode ser conectado, com sua extremidade de admissão, à chaminé interna 80. Esta medida transforma a chaminé interna 80 em um exaustor. Um determinado arraste é criado no espaço delimitado pela chaminé interna 80 acima da calha de escoamento quente 16 e dos jatos 12. Esta medida fornece segurança adicional ao evitar o refluxo daquela fração de vapor de água que é gerada pelos jatos 12 na calha de escoamento e para a fundição e evacuar qualquer hidrogênio gasoso dos locais onde existam produtos com altas temperaturas ou faíscas.

[055] De preferência, o(s) dispositivo(s) de evacuação é(são) conectado(s) a um controlador, o qual pode ser integrado no sistema de controle de processo da instalação inteira. O controlador opera uma válvula automática controlável remota conectada à saída da bomba que alimenta o(s) dispositivo(s) de evacuação 60. Consequentemente, ao controlar a abertura e fechamento da válvula, o controlador controla a operação do(s) dispositivo(s) de evacuação 60, de modo para restringir ou permitir seletivamente a passagem de vapor de água e gás através do dispositivo de evacuação.

[056] De acordo com uma modalidade, um dispositivo de injeção de vapor de água, tal como uma lança de injeção de vapor de água 82, é fornecido na zona inferior 46 da torre de condensação 30. Este dispositivo injetará vapor de água na zona inferior 46 da torre de condensação pouco antes que a fundição de escória seja iniciada (500 - 1000 m3/h). Na verdade, descobriu-se que, no início de vazamento da escória, a água contida no tanque de granulação 18 está fria e, portanto, a quantidade de vapor de água produzido é relativamente baixa e aumenta apenas após uma determinada quantidade de escória ter sido granulada e a água no tanque de granulação 18 ter aquecido para cerca de 80 °C. Além disso, descobriu-se que, se a escória contém ferro, quantidades significativas de hidrogênio gasoso podem ser geradas. Durante o início da operação de granulação, o hidrogênio gasoso é particularmente perigoso porque muito pouco vapor de água é gerado durante este período. No entanto, sabe-se que, se a atmosfera contém vapor de água, o risco de explosão de uma mistura de ar/hidrogênio é limitado. O dispositivo de injeção de vapor de água 82, assim, ajudará a reduzir significativamente o risco de incêndio e explosão durante o início da fundição de escória enquanto a água no tanque de granulação 18 ainda está fria.

[057] Em conclusão, será apreciado que a presente invenção não apenas permite um aumento importante na segurança operacional de uma instalação de granulação com base em água 10, especialmente para a escória de alto-forno. Além disso, a invenção permite operação confiável em uma capacidade de condensação reduzida e, assim, em menor despesas de capital e operacionais. Na verdade, no caso de uma instalação de granulação de escórias de alto-forno, espera-se que uma instalação de granulação 10 com o dispositivo de evacuação 60; 60' proposto seja capaz de processar de forma confiável um excesso de vapor de água que corresponde a um aumento do fluxo de escória de até +25%. Isto pode representar um aumento, por exemplo, em torno de 2 t/min (83,33 kg/s) de escória em um sistema que tem uma capacidade de condensação concebido para lidar com uma taxa máxima de fluxo de escória de 8 t/min (133,33 kg/s). Legenda: 10 Instalação de granulação 46 Zona inferior da torre 12 Jatos de água 48 Duto de drenagem 14 Fluxo de fundido 50 Unidade de desidratação 16 Calha de escoamento quente 52 Tambor de filtragem rotativo 18 Tanque de granulação 53 Chaminé de coleta de vapor de água 20 Dispositivo de injeção de água 54 Tanque de recuperação de água 23 Duto de alimentação (de 20) 56 Sistema de resfriamento 30 Torre de condensação de vapor 57 de água Bomba 32 Invólucro externo da torre 58 Duto de alimentação (de 40) 34 Cobertura superior da torre 59 Duto de drenagem 40 Dispositivo de pulverização de 60 água Dispositivo de evacuação 42 Dispositivo de coleta de água 62 Entrada 43, 45 Coletores 70 Dispositivo de controle 47, 49 Bicos de pulverização de água 80 Chaminé interna 44 Zona superior da torre 82 Dispositivo de injeção de vapor de água

Claims

1. Instalação de granulação (10) para granulação de material fundido produzido em uma usina metalúrgica, a dita instalação compreendendo: um dispositivo de injeção de água (20) para injeção de água de granulação em um fluxo de material fundido (14) e, deste modo, granular o material fundido; um tanque de granulação (18) para coleta da água de granulação e do material granulado; uma torre de condensação de vapor de água (30) localizada acima do dito tanque de granulação (18) para coleta de vapor de água gerado no dito tanque de granulação (18), a dita torre de condensação de vapor de água (30) tendo um invólucro externo (32) com uma cobertura superior (34) e um sistema de condensação de vapor de água que inclui: um dispositivo de pulverização de água (40) para pulverização de gotículas de água dentro da dita torre de condensação de vapor de água (30), e um dispositivo de coleta de água (42) localizado na dita torre de condensação de vapor de água (30) abaixo do dito dispositivo de pulverização de água (40) para coleta das gotículas de água pulverizadas e vapor de água condensado; o dito dispositivo de coleta (42) dividindo a dita torre em uma zona superior (44), na qual o vapor de água pode condensar, e uma zona inferior (46) através da qual o vapor de água pode subir do dito tanque de granulação (18) para a dita zona superior (44), caracterizada porcompreender ainda: um dispositivo de evacuação (60) para evacuar seletivamente gás e vapor de água da dita torre, condensar o excesso de vapor de água e evacuar gás para a atmosfera, o dito dispositivo de evacuação (60) tendo uma entrada (62) localizada de modo a se comunicar com a dita zona superior (44) da dita torre de condensação (30) acima do dispositivo de pulverização de água (40) e uma saída localizada de modo a evacuar e condensar o vapor de água eevacuar gás da dita torre de condensação (30).

2. Instalação de granulação (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por:o dito dispositivo de evacuação (60) ser dotado de um dispositivo para controle seletivo de evacuação de vapor de água através do dito dispositivo de evacuação (60), em particular do dispositivo de regulação para regular a vazão do dispositivo de evacuação (60).

3. Instalação de granulação (10) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada poro dito dispositivo de evacuação (60) compreender uma bomba de jato com edutor que produz vácuo por meio do efeito Venturi.

4. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pora entrada (62) do dispositivo de evacuação (60) estar situada entre o dispositivo de pulverização de água (40) e a cobertura superior (34) da torre (30).

5. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pora entrada (62) do dispositivo de evacuação (60) estar situada entre o dispositivo de pulverização de água (40) e o dispositivo de coleta de água (42) da torre (30).

6. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada poro dito dispositivo de evacuação (60) estar localizado fora da dita torre de condensação (30).

7. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada poro dito dispositivo de evacuação (60) ser suportado pelo dito invólucro externo (32) e/ou a dita cobertura superior (34) da dita torre de condensação (30).

8. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada poro dito dispositivo de evacuação (60) estar conectado a um duto de alimentação de água (58) do dispositivo de pulverização de água (40) da torre (30).

9. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada poro dito dispositivo de evacuação (60) compreender um dispositivo de controle que regula o fluxo e/ou a pressão da água usada para acionar o dispositivo de evacuação (60).

10. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada poro dito gás e vapor de água condensado serem evacuados para um sistema de resfriamento (56).

11. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada porcompreender ainda um sensor que mede o teor de hidrogênio e/ou o teor de vapor de água, a dita sessão sendo instalada na zona superior 44 da torre 30.

12. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada porcompreender ainda uma unidade de desidratação, em particular uma unidade de desidratação (50) com um tambor de filtragem rotativo (52), tendo uma chaminé de coleta de vapor de água (53) e um primeiro dispositivo auxiliar de evacuação (60') estar conectado, com sua extremidade de admissão, à dita chaminé de coleta de vapor de água (53).

13. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada porcompreender ainda uma chaminé interna (80) que se estende no dito tanque de granulação (18), de modo a vedar a dita torre de condensação (30) contra a entrada de ar ambiente e um outro dispositivo de evacuação auxiliar estar conectado, com sua extremidade de admissão, à dita chaminé interna (80).

14. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada porcompreender ainda um dispositivo controlador que está conectado para operar um dispositivo obturador, de modo a restringir ou permitir seletivamente a passagem de vapor de água e gás através do dito dispositivo de evacuação (60).

15. Instalação de granulação (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada porcompreender ainda um dispositivo de injeção de vapor de água na zona inferior (46) da torre de condensação (30).

16. Usina de alto-forno caracterizada porcompreender uma instalação de granulação (10) tal como descrita em qualquer uma das reivindicações 1 a 15.